JP2011216847A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所謂スーパージャンクション構造の半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a so-called super junction structure.
高耐圧と大電流容量とを実現する代表的な半導体装置として、パワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)がある。基板の両面に形成された一対の電極間に電流を流すタイプは縦型パワーMOSFETと呼ばれ、低いオン抵抗を有するスイッチングデバイス等として広く普及している。 There is a power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) as a typical semiconductor device that realizes a high breakdown voltage and a large current capacity. A type in which a current flows between a pair of electrodes formed on both sides of a substrate is called a vertical power MOSFET, and is widely used as a switching device having a low on-resistance.
縦型パワーMOSFETは、用途に応じて所定の耐圧を持つように設計される。ここで、「所定の耐圧」とは、デバイスのどこかで局所電界が臨界値を超え、ブレークダウンが発生するときのドレイン−ソース間電圧のことである。一般に耐圧とオン抵抗との間にはトレードオフ関係があるため、ある程度の耐圧を得ようとすると、オン抵抗を低減しようにも限界がある。
従来の縦型パワーMOSFETでは、ベース領域とドリフト領域(不純物濃度の低いドレイン領域)間のp/n接合で耐圧が決まるため、理論的に求められる最小オン抵抗の耐圧依存性(Siリミットと称される。)が知られていた。
The vertical power MOSFET is designed to have a predetermined breakdown voltage according to the application. Here, the “predetermined breakdown voltage” is a drain-source voltage when a local electric field exceeds a critical value somewhere in the device and breakdown occurs. In general, since there is a trade-off relationship between breakdown voltage and on-resistance, there is a limit to reducing the on-resistance in order to obtain a certain level of breakdown voltage.
In the conventional vertical power MOSFET, the breakdown voltage is determined by the p / n junction between the base region and the drift region (drain region having a low impurity concentration), and therefore the theoretically required breakdown voltage dependency (referred to as Si limit). Was known).
近年、縦型パワーMOSFETにおけるオン抵抗をSiリミットを越えて低減する技術として、所謂スーパージャンクション構造(SJ構造)が提案されている。図7を参照して、SJ構造を有する縦型パワーMOSFETの基本構成を説明する。図7は要部断面図である。 In recent years, a so-called super junction structure (SJ structure) has been proposed as a technique for reducing the on-resistance in a vertical power MOSFET beyond the Si limit. With reference to FIG. 7, a basic configuration of a vertical power MOSFET having an SJ structure will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part.
図7に示すMOSFET500は、
第1導電型半導体基板501と、
半導体基板501の一方の面(図示上面)に形成された半導体層601と、
半導体層601上に形成された層間絶縁膜610と、
層間絶縁膜610に開孔されたコンタクトホールを介して、半導体層601と電気的に接続されたソース電極611と、
半導体層601の上面から開溝された溝部(トレンチ)内に形成されたゲート絶縁膜606及びゲート電極607と、
半導体基板601の他方の面(図示下面)に形成されたドレイン電極612とを備えている。
The
A first conductivity
A
An
A
A
And a
半導体層601内には、
第1導電型のドリフト領域602と、
ドリフト領域602の上方に形成された第2導電型のベース領域603と、
ベース領域603の上層部に形成された第1導電型のソース領域604と、
ドリフト領域602内に柱状に形成された第2導電型のコラム領域605とが形成されている。
In the
A first conductivity
A
A first conductivity
A
この例では、半導体基板501はn+型、ドリフト領域602はn型、ベース領域603はp型、ソース領域604はn+型、コラム領域605はp型である。
半導体層601内には、第1導電型のドリフト領域602と第2導電型のコラム領域605とが基板面方向に並列された並列構造(p/n接合構造)が形成されている。
In this example, the
In the
SJ構造では、ドリフト領域のドナー不純物量とコラム領域のアクセプタ不純物量とを略同一に設定することにより、ドリフト領域のチャージとコラム領域のチャージとがバランスした状態(チャージバランス条件)となり、耐圧を最大化することができる。かかるチャージバランス条件下では、デバイスのOFF時にドレイン−ソース電極間に逆バイアス電圧がかかると、ドリフト領域とコラム領域間のp/n接合から空乏層が横方向に均等に広がるため、隣接する空乏層同士が互いに接続し易くなる。SJ構造全体が空乏化して単一の空乏層になると、等ポテンシャル面がほぼ等間隔かつほぼ平行となるため、耐圧を最大化することができる。SJ構造の設計では、チャージバランス条件下で(耐圧を最大化した状態で)ドリフト領域の不純物濃度を高濃度化できるため、ドリフト抵抗を低減でき、オン抵抗を低減できる。 In the SJ structure, by setting the donor impurity amount in the drift region and the acceptor impurity amount in the column region to be substantially the same, the charge in the drift region and the charge in the column region are balanced (charge balance condition), and the breakdown voltage is reduced. Can be maximized. Under such a charge balance condition, when a reverse bias voltage is applied between the drain and source electrodes when the device is OFF, the depletion layer spreads laterally evenly from the p / n junction between the drift region and the column region. Layers can be easily connected to each other. When the entire SJ structure is depleted to form a single depletion layer, the equipotential surfaces are substantially equidistant and substantially parallel, so that the withstand voltage can be maximized. In the design of the SJ structure, the impurity concentration in the drift region can be increased under charge balance conditions (with the breakdown voltage maximized), so that the drift resistance can be reduced and the on-resistance can be reduced.
また、パワーMOSFETの半導体チップの設計においては、デバイスに過大な誘導負荷などがかかった場合でも、チップの外周領域にアバランシェ電流が集中してデバイス破壊が起こらないような高い破壊耐量を実現することが重要である。そのためには、少なくとも1つのMOSFETが形成された素子形成領域(セル領域)の耐圧より外側の外周領域の耐圧を高くしておく必要がある。 Also, in the design of power MOSFET semiconductor chips, even when an excessive inductive load is applied to the device, a high breakdown resistance must be realized so that the avalanche current does not concentrate on the outer peripheral region of the chip and the device is destroyed. is important. For this purpose, it is necessary to increase the breakdown voltage of the outer peripheral region outside the breakdown voltage of the element formation region (cell region) where at least one MOSFET is formed.
外周領域の耐圧を高くする手段として、SJ構造の特徴である柱状のp/n接合の繰り返し構造を外周領域にまで延長する構造が提案されている。 As means for increasing the breakdown voltage of the outer peripheral region, a structure in which a columnar p / n junction repeating structure, which is a feature of the SJ structure, is extended to the outer peripheral region has been proposed.
特許文献1及びそれを基礎とする米国出願である特許文献2には、外周領域に素子形成領域と同様の柱状のp/n接合の繰り返し構造を形成して、外周領域の不純物濃度を素子形成領域と同等以下に設定することで、外周領域を素子形成領域と同じかそれ以上に空乏化し易くして耐圧を向上させた構造が記載されている。
特許文献1の図19/特許文献2の図17、図18には、素子形成領域(122)と外周領域(20)に、同じ柱状のp/n接合の繰り返し構造(n型ドリフト領域(20a)/コラム領域(20b)の繰り返し構造)が形成された構造が記載されている。外周領域(20)の素子形成領域(122)側には、素子形成領域(122)を囲むように、コラム領域(20b)よりも不純物濃度の高い環状の浅いp型領域(20c)が形成されている。外周領域(20)の半導体層上には、表面保護及び安定化のためにフィールド絶縁膜(23)が積層されている(段落0041)。コラム領域(20b)は、環状の浅いp型領域(20c)よりも外側の領域(図19の図示左側)にも形成されており、この領域では、コラム領域(20b)の上端がフィールド絶縁膜(23)に接触している。フィールド絶縁膜(23)上に、フィールド電極は設けられていない。
In
In FIG. 19 of
特許文献3及びそれを基礎とする米国出願である特許文献4には、外周領域のp/n接合とフィールド絶縁膜の内端との位置関係を規定して外周領域の電界集中を緩和した構造が記載されている。
特許文献3の図1/特許文献4の図1A、図1Bには、外周領域(56)に環状の浅いp型領域はなく、素子形成領域(54)のコラム領域(34,36)より浅い位置にコラム領域(38)が形成された構造が形成されている。外周領域(56)には、コラム領域(38)の直上に、フィールド絶縁膜(46)とフィールド電極(48)とが積層されている。特許文献2では、外周領域(56)において、フィールド絶縁膜(46)の下方にコラム領域(38)が形成されているが、フィールド絶縁膜(46)の内端(64)の直下及びその近傍領域にはコラム領域(38)が形成されないようにして、フィールド絶縁膜(46)の内端(64)付近の電界集中を緩和している。
In FIG. 1A and FIG. 1B of
特許文献5及びそれを基礎とする米国出願である特許文献6の図1には、外周領域に環状の浅いp型領域(105)とコラム領域(106)とが形成され、外周領域において最外周のコラム領域(106a)より外側の領域(環状の浅いp型領域(105)とコラム領域(106)とがない領域)にフィールド絶縁膜(118)が形成され、外周領域においてコラム領域(106)の直上を除く領域にフィールド電極(120)が形成された構造が記載されている。
また、それに関連する説明には、外周領域にコラム領域(106)を形成することにより、外周領域の耐圧を高く保つことができると記載されている。特許文献5、6では、フィールド電極(120)をコラム領域(106)直上に形成しないことで、フィールド電極を形成した後にコラム領域(106)を形成することを可能としている。
In FIG. 1 of Patent Document 5 and Patent Document 6 which is a US application based thereon, an annular shallow p-type region (105) and a column region (106) are formed in the outer peripheral region, and the outermost periphery is formed in the outer peripheral region. A field insulating film (118) is formed in a region outside the column region (106a) (region where there is no annular shallow p-type region (105) and column region (106)), and the column region (106) is formed in the outer peripheral region. A structure in which a field electrode (120) is formed in a region except directly above is described.
In addition, the description related thereto describes that the breakdown voltage of the outer peripheral region can be kept high by forming the column region (106) in the outer peripheral region. In Patent Documents 5 and 6, the field electrode (120) is not formed immediately above the column region (106), so that the column region (106) can be formed after the field electrode is formed.
外周領域に柱状のコラム領域がないタイプであるが、参考までに特許文献7及びそれを基礎とする米国出願である特許文献8を挙げておく。特許文献7、8の図1には、外周領域にコラム領域(4)の代わりにp型の埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)が設けられ、これら埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)の上方に環状の浅いp型領域(GR1〜GR4)が設けられ、これら環状の浅いp型領域(GR1〜GR4)の直上にフィールド電極(14)が形成された構造が記載されている。特許文献4の段落0032〜0041には、環状の浅いp型領域GR1〜GR4及び埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)によって、局所的な電界集中が抑えられることが記載されている。 Although it is a type which does not have a columnar column region in the outer peripheral region, Patent Document 7 and Patent Document 8 which is a US application based on the same are cited for reference. In FIG. 1 of Patent Documents 7 and 8, p-type buried semiconductor regions (BGR1 to BGR4) are provided in the outer peripheral region instead of the column region (4), and a ring is formed above these buried semiconductor regions (BGR1 to BGR4). In this structure, a shallow p-type region (GR1 to GR4) is provided, and a field electrode (14) is formed immediately above these annular shallow p-type regions (GR1 to GR4). Paragraphs 0032 to 0041 of Patent Document 4 describe that local electric field concentration can be suppressed by the annular shallow p-type regions GR1 to GR4 and the embedded semiconductor regions (BGR1 to BGR4).
本発明者が詳細な分析を実施したところ、後述するように、上記従来構造では外周領域における耐圧や破壊耐量が必ずしも充分ではないことが分かった。 As a result of detailed analysis by the inventor, it was found that the above-described conventional structure does not necessarily have sufficient withstand pressure and breakdown resistance in the outer peripheral region, as will be described later.
本発明の半導体装置は、
半導体基板の一方の面に半導体層が形成された基板に、
前記半導体層内に、第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコラム領域とが基板面方向に並列された並列構造と、当該並列構造の上方に形成された第2導電型のベース領域とを有する少なくとも1つのトランジスタ素子が形成された半導体装置であって、
前記少なくとも1つのトランジスタ素子が形成された素子形成領域より外側の外周領域には、前記半導体層内に、前記トランジスタ素子の前記並列構造と同一構造である、第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコラム領域との並列構造と、前記トランジスタ素子の前記ベース領域の側方に当該ベース領域から離間して平面視環状に形成された第2導電型の環状拡散領域とが形成されており、
前記外周領域の前記第2導電型の環状拡散領域は、最内端及びその近傍部分が前記コラム領域上に位置され、最外端が最外周の前記コラム領域よりも外側に位置されており、
前記外周領域の前記半導体層上に、前記第2導電型の環状拡散領域を覆うフィールド絶縁膜が積層されたものである。
The semiconductor device of the present invention is
On a substrate having a semiconductor layer formed on one side of the semiconductor substrate,
A parallel structure in which a first conductivity type drift region and a second conductivity type column region are arranged in parallel in the substrate surface direction in the semiconductor layer, and a second conductivity type base region formed above the parallel structure. A semiconductor device in which at least one transistor element is formed,
In the outer peripheral region outside the element formation region where the at least one transistor element is formed, a drift region of the first conductivity type and the second structure are the same as the parallel structure of the transistor elements in the semiconductor layer. A parallel structure with a conductive type column region and a second conductive type annular diffusion region formed in an annular shape in plan view and spaced apart from the base region are formed on the side of the base region of the transistor element. ,
The annular diffusion region of the second conductivity type in the outer peripheral region, the innermost end and the vicinity thereof are positioned on the column region, the outermost end is positioned outside the outermost column region,
A field insulating film covering the annular diffusion region of the second conductivity type is laminated on the semiconductor layer in the outer peripheral region.
本発明によれば、図3Aに等ポテンシャル面のシミュレーション例を示すように、電界集中が緩和され、耐圧及び破壊耐量が向上された所謂スーパージャンクション構造の半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, as shown in FIG. 3A showing an example of an equipotential surface simulation, it is possible to provide a semiconductor device having a so-called super junction structure in which electric field concentration is reduced and breakdown voltage and breakdown resistance are improved.
本発明によれば、電界集中が緩和され、耐圧及び破壊耐量が向上された所謂スーパージャンクション構造の半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a so-called super junction structure in which electric field concentration is reduced and breakdown voltage and breakdown resistance are improved.
「第1実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第1実施形態の半導体装置の構成について説明する。図1は本実施形態の半導体装置の要部断面図、図2Aは要部平面図、図2Bは全体平面図である。図面上は視認しやすくするため、各部材の縮尺や位置は適宜、実際のものとは異ならせてある。
“First Embodiment”
The configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device of the present embodiment, FIG. 2A is a plan view of the main part, and FIG. 2B is a plan view of the whole. In order to facilitate visual recognition on the drawings, the scale and position of each member are appropriately different from the actual ones.
本実施形態の半導体装置1は、第1導電型の半導体基板101に、少なくとも1つのスーパージャンクション(SJ)構造を有する縦型のパワーMOSFET(トランジスタ素子)200が形成されたものである。本実施形態では、1つの半導体基板101に複数のMOSFET200が形成されており、複数のMOSFET200が形成された領域を素子形成領域(セル領域)200X、それより外側を外周領域300Xと呼ぶ。素子形成領域200Xと外周領域300Xとの間には明確な境界がある訳ではない。図1では、p型ベース領域203の形成領域を素子形成領域200Xとし、それより外側を外周領域300Xとして、図示してある。
In the
半導体装置1には、第1導電型の半導体基板101の一方の面(図示上面)全体に半導体層201が形成され、他方の面(図示下面)全体にドレイン電極212が形成されている。
MOSFET200(半導体装置1の素子形成領域200X)は、
半導体基板101の一方の面(図示上面)に形成された半導体層201と、
半導体層201上に形成された層間絶縁膜210と、
層間絶縁膜210に開孔されたコンタクトホールを介して、半導体層201と電気的に接続されたソース電極211と、
半導体層201の上面から開溝された溝部(トレンチ)内に形成されたゲート絶縁膜206及びゲート電極207と、
半導体基板101の他方の面(図示下面)に形成されたドレイン電極212とを備えている。
In the
MOSFET 200 (
A
An interlayer insulating
A
A
And a
MOSFET200は、
半導体層201内に、
第1導電型のドリフト領域(不純物濃度の低いドレイン領域)202と、
ドリフト領域202の上方に形成された第2導電型のベース領域203と、
ベース領域203の上層部に形成された第1導電型のソース領域204と、
ドリフト領域202内においてベース領域203の下方に柱状に形成された第2導電型のコラム領域205とを備えている。
In the
A first conductivity type drift region (drain region having a low impurity concentration) 202;
A second conductivity
A first conductivity
The
MOSFET200において、断面視、内部にゲート絶縁膜206及びゲート電極207が形成された溝部は、半導体層201の上面から少なくともソース領域204とベース領域203とに跨って開溝されている。内部にゲート絶縁膜206及びゲート電極207が形成された溝部の平面パターンについては、図2A及び図2Bを参照されたい。
In the
本実施形態では、第1導電型はn型、第2導電型はp型である。より詳しくは、半導体基板101はn+型、ドリフト領域202はn型、ベース領域203はp型、ソース領域204はn+型、コラム領域205はp型である。
In the present embodiment, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type. More specifically, the
半導体層201内には、第1導電型のドリフト領域202と第2導電型のコラム領域205とが基板面方向に並列された並列構造(p/n接合構造)が形成されている。
本実施形態において、第1導電型のドリフト領域202のドナー不純物量と第2導電型のコラム領域205のアクセプタ不純物量とが略同一に設定されることが好ましい。「略同一」は、誤差範囲のずれは許容されることを意味する。
第1導電型のドリフト領域202のドナー不純物量と第2導電型のコラム領域205のアクセプタ不純物量とが略同一の条件では、第1導電型のドリフト領域202と第2導電型のコラム領域205のチャージとがバランスした状態(チャージバランス条件)となり、耐圧を最大化することができ、好ましい。かかるチャージバランス条件下では、デバイスのOFF時にドレイン−ソース電極間に逆バイアス電圧がかかると、ドリフト領域とコラム領域間のp/n接合から空乏層が横方向に均等に広がるため、隣接する空乏層同士が互いに接続し易くなる。SJ構造全体が空乏化して単一の空乏層になると、等ポテンシャル面がほぼ等間隔かつほぼ平行となるため、耐圧を最大化することができる。SJ構造の設計では、チャージバランス条件下で(耐圧を最大化した状態で)ドリフト領域の不純物濃度を高濃度化できるため、ドリフト抵抗を低減でき、オン抵抗を低減できる。
In the
In the present embodiment, it is preferable that the donor impurity amount of the first conductivity
Under the condition that the donor impurity amount of the first conductivity
なお、半導体基板101、ドリフト領域202、ベース領域203、ソース領域204、コラム領域205の導電型及び不純物濃度については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。第1導電型と第2導電型とは、上記の逆でも構わない。
Note that the conductivity types and impurity concentrations of the
図2A及び図2Bに示すように、本実施形態において、平面視、ライン状の複数の第2導電型のコラム領域205が、図示左右方向に周期的に配列されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, in the present embodiment, a plurality of second conductivity
本実施形態において、外周領域300Xには、半導体層201内に、素子形成領域200Xに形成された第1導電型のドリフト領域202と第2導電型のコラム領域205の並列構造と同一の並列構造と、素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203の側方に、当該ベース領域から離間して平面視環状に形成された第2導電型の環状拡散領域303とが形成されている。本実施形態において、第2導電型の環状拡散領域303は素子形成領域200Xのベース領域203と同様、p型である。
In the present embodiment, the outer
素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203と外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303の深さと不純物濃度は、略同一でも異なっていても構わないが、略同一であることが好ましい。
素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203と外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303とは同一プロセスで形成されることが好ましい。この場合、第2導電型の環状拡散領域303を設けても、工程数の増加がなく、好ましい。
The depth and impurity concentration of the second conductivity
The second conductivity
本実施形態において、素子形成領域200Xにおいて、断面視、第2導電型のベース領域203と第2導電型のコラム領域205とが接し、外周領域300Xにおいて、断面視、第2導電型の環状拡散領域303と第2導電型のコラム領域205とが接している。
In the present embodiment, the second conductivity
図1に示すように、本実施形態において、外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303は、最内端303A及びその近傍部分がコラム領域205上に位置され、最外端303Bが最外周のコラム領域(図示最右端のコラム領域)205よりも外側に位置されている。
すなわち、外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303は、最内端303Aを含む図示左端部がコラム領域205に重なって形成されており、最外端303Bを含む図示右端部が最外周のコラム領域205より外側に張り出している。
素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203と、外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303、及び第2導電型のコラム領域205の平面関係については、図2A及び図2Bを参照されたい。
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, in the second conductivity type
That is, the second conductivity type
2A and 2B for the planar relationship between the second conductivity
外周領域300Xの半導体層201上に、第2導電型の環状拡散領域303を覆うように、フィールド絶縁膜306が積層されている。フィールド絶縁膜306上にはさらに、フィールド電極307と層間絶縁膜210とが順次積層されている。フィールド電極307は、素子形成領域200Xのゲート電極207の材料(例えばポリシリコン)が図示しない領域でフィールド絶縁膜306上に引き出されたものである。フィールド電極307は、ゲートパッド(図示せず)に接続されている。
A
本実施形態は所謂スーパージャンクション構造(SJ構造)を有する縦型パワーMOSFET200を備えたものであるので、高耐圧特性と大電流容量とを有しつつ、オン抵抗をSJ構造を有しない縦型パワーMOSFETよりも低減することが可能である。
本実施形態は所謂スーパージャンクション構造(SJ構造)を有する縦型パワーMOSFET200を備えたものであるので、高耐圧特性と大電流容量とを有しつつ、オン抵抗をSiリミットを越えて低減することが可能である。
本実施形態では、SJ構造の特徴である柱状のp/n接合(コラム領域205/ドリフト領域202とのp/n接合)の繰り返し構造を外周領域300Xまで延長しているので、外周領域300Xの耐圧及び破壊耐量の向上が図られている。
本実施形態においてはさらに、外周領域300Xに、最内端303A及びその近傍部分はコラム領域205上に位置し、最外端303Bは最外周のコラム領域205よりも外側に位置する第2導電型の環状拡散領域303を設けることで、外周領域300Xにおける耐圧及び破壊耐量のより一層の向上が図られている。
Since the present embodiment includes the
Since this embodiment includes a
In this embodiment, the columnar p / n junction (p / n junction with the
In the present embodiment, in the outer
図3Aは、本実施形態において、MOSFET200のOFF時にドレイン−ソース電極間に充分に大きな逆バイアス電圧が印加された場合の外周領域300Xにおける等ポテンシャル面のシミュレーション例である(実施例)。
図3Bは、外周領域300Xに第2導電型の環状拡散領域303がないことを除けば本実施形態と同様の構成についての同シミュレーション例である(比較例)。この比較例の構成では、外周領域300Xにおいて、第2導電型の環状拡散領域303がなく、コラム領域205がフィールド絶縁膜306に直接接している。
FIG. 3A is a simulation example of an equipotential surface in the outer
FIG. 3B is a simulation example of the same configuration as that of the present embodiment except that the outer
図3Aと図3Bとを比較すると分かるように、図3Bでは、フィールド絶縁膜と最外周のコラム領域との接触部分付近で等ポテンシャル面の曲率が急激に小さくなり、その部分に電界が集中している。
これに対して、図3Aでは、外周領域300Xに、最内端303A及びその近傍部分はコラム領域205上に位置し、最外端303Bは最外周のコラム領域205よりも外側に位置する第2導電型の環状拡散領域303が設けられたことで、等ポテンシャル面の間隔が広がり、且つ等ポテンシャル面の曲率が緩やかになっており、電界集中が緩和されている。
As can be seen from a comparison between FIG. 3A and FIG. 3B, in FIG. 3B, the curvature of the equipotential surface suddenly decreases near the contact portion between the field insulating film and the outermost column region, and the electric field concentrates on that portion. ing.
On the other hand, in FIG. 3A, in the outer
フィールド電極307にはゲート電圧がかかるため、デバイスのOFF時には接地電位が印加される。デバイスのOFF時にはフィールド電極307が一定電位(接地電位)になるため、第2導電型のコラム領域205も第2導電型の環状拡散領域303も形成されていない更に外側の領域では、図3Aの場合も図3Bの場合も、等ポテンシャル面がフィールド電極307及びドレイン電極212に対して平行になる。このため、最外周のコラム領域205からフィールド絶縁膜306に向かう等ポテンシャル面は、フィールド電極307があることにより、これに並行になるように曲げられており、等ポテンシャル面の曲率はフィールド電極307が無い場合に比べて緩やかになる。
Since a gate voltage is applied to the
本実施形態では、素子成領域200Xの第2導電型のベース領域203と外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303とを、平面視で離間させている。かかる構成では、素子成領域200Xの第2導電型のベース領域203の外端203Bと第1導電型のドリフト領域202間のp/n接合と、第2導電型の環状拡散領域303の内端303Aと第1導電型のドリフト領域202間のp/n接合のそれぞれから横方向に空乏層が広がるため、第2導電型のベース領域203と第2導電型の環状拡散領域303とが離間していない場合よりも、横方向の電界に強い半導体装置1が得られる。
In the present embodiment, the second conductivity
第1導電型のドリフト領域202の比抵抗(不純物濃度)、第2導電型のコラム領域205の不純物濃度、第2導電型の環状拡散領域303の不純物濃度、及び第2導電型の環状拡散領域303の最外周のコラム領域205からの張出し部分の長さは、所望の耐圧(VDSS)に応じて設計できる。
本発明者は、例えば、素子形成領域200Xの耐圧(VDSS)が55Vのトレンチゲート型パワーMOSFET200を得ようとする場合、第1導電型のドリフト領域202を比抵抗0.50Ω・cm程度のエピタキシャル層で形成し、第2導電型のコラム領域205の不純物濃度を6.0×1016cm−3程度とし、第2導電型の環状拡散領域303の不純物濃度を4.0×1016cm−3程度とし、第2導電型の環状拡散領域303を最外周のコラム領域205よりも約5.0μm外側に張り出すように設計すればよいことを求めている。なお、ここに挙げた数値は設計例であり、適宜設計できることは言うまでもない。
The specific resistance (impurity concentration) of the
For example, when the present inventor intends to obtain a trench gate
「背景技術」の項で挙げた特許文献1の図19(特許文献2の図18)には、素子形成領域(122)を囲うように浅いp型領域(20c)が形成されているものの、この浅いp型領域(20c)よりも外側のコラム領域(20b)がフィールド絶縁膜(23)に接触している。また、外周領域にはフィールド電極も存在しない。従って、特許文献1の外周構造における等ポテンシャル面は、特許文献1の図19(特許文献2の図18)内に破線で示されているように、フィールド絶縁膜(23)に対してほぼ垂直に入り込んでいる。つまり、比較例の図3Bよりもさらに電界集中が大きく、耐圧や破壊耐量が低くなっている。
In FIG. 19 of Patent Document 1 (FIG. 18 of Patent Document 2) cited in the “Background Art” section, a shallow p-type region (20c) is formed so as to surround the element formation region (122). The column region (20b) outside the shallow p-type region (20c) is in contact with the field insulating film (23). Further, there is no field electrode in the outer peripheral region. Therefore, the equipotential surface in the outer peripheral structure of
「背景技術」の項で挙げた特許文献3の図1(特許文献4の図1A、図1B)には、特許文献1(特許文献2)に比べて、外周領域(56)に浅いp型領域がなく、素子形成領域のコラム領域(34,36)よりも浅い位置にコラム領域(38)が形成されており、外周領域(56)にフィールド電極(48)が形成されているため、最外周のコラム領域(38)とフィールド絶縁膜(46)との接触部分における電界集中は、特許文献1(特許文献2)よりも緩和されると考えられる。
しかしながら、特許文献3(特許文献4)の外周構造では、コラム領域(38)は素子形成領域(54)のベース領域(51)よりも深い位置に形成されている。すなわち、特許文献3(特許文献4)の外周構造では、最外周のコラム領域(38)の深さは、本実施形態の浅いp型環状拡散領域303に比べるとかなり深いため、最外周のコラム領域(38)からフィールド絶縁膜(46)に向かう等ポテンシャル面は図3Aよりも急峻であり、等ポテンシャル面の曲率は図3Aよりも小さくなる。従って、本実施形態の外周構造の方が、特許文献3(特許文献4)よりも電界集中が小さくなり、耐圧や破壊耐量が優れている。
FIG. 1 of Patent Document 3 (FIGS. 1A and 1B of Patent Document 4) cited in the section “Background Art” shows a shallow p-type in the outer peripheral region (56) compared to Patent Document 1 (Patent Document 2). Since there is no region, the column region (38) is formed at a position shallower than the column regions (34, 36) of the element formation region, and the field electrode (48) is formed in the outer peripheral region (56). It is considered that the electric field concentration at the contact portion between the outer peripheral column region (38) and the field insulating film (46) is more relaxed than in Patent Document 1 (Patent Document 2).
However, in the outer peripheral structure of Patent Document 3 (Patent Document 4), the column region (38) is formed at a position deeper than the base region (51) of the element formation region (54). That is, in the outer peripheral structure of Patent Document 3 (Patent Document 4), the depth of the outermost column region (38) is considerably deeper than that of the shallow p-type
「背景技術」の項で挙げた特許文献5(特許文献6)の図1には、外周領域に浅いp型領域(105)とコラム領域106とが形成されているが、外周領域の浅いp型領域(105)の最内端及びその近傍部分はコラム領域(106)上には位置していない。外周領域にフィールド絶縁膜(118)とフィールド電極(120)とが形成されているが、これらは浅いp型領域(105)とコラム領域106との上方には形成されていない。
特許文献5(特許文献6)では、フィールド絶縁膜の下にはコラム領域もベース領域も形成されていないので、等電位面を緩やかにする効果は特許文献3(特許文献4)よりも劣っている。
In FIG. 1 of Patent Document 5 (Patent Document 6) cited in the “Background Art” section, a shallow p-type region (105) and a column region 106 are formed in the outer peripheral region. The innermost end of the mold region (105) and the vicinity thereof are not located on the column region (106). A field insulating film (118) and a field electrode (120) are formed in the outer peripheral region, but they are not formed above the shallow p-type region (105) and the column region.
In Patent Document 5 (Patent Document 6), neither the column region nor the base region is formed under the field insulating film, so that the effect of relaxing the equipotential surface is inferior to that of Patent Document 3 (Patent Document 4). Yes.
「背景技術」の項で挙げた特許文献7(特許文献8)の図1には、外周領域にコラム領域(4)の代わりにp型の埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)が設けられ、これら埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)の上方に環状の浅いp型領域(GR1〜GR4)が設けられ、これら環状の浅いp型領域(GR1〜GR4)の直上にフィールド電極(14)が形成された構造が記載されている。
この半導体装置は、外周領域にコラム領域がなく、代わりに厚み方向の異なる位置に複数の埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)が設けられているので、外周領域の設計が複雑である。また、埋め込み半導体領域(BGR1〜BGR4)を素子領域のコラム領域とは異なる工程で形成しているため、工程数も多くなる。
In FIG. 1 of Patent Document 7 (Patent Document 8) cited in “Background Art”, p-type buried semiconductor regions (BGR1 to BGR4) are provided in the outer peripheral region instead of the column region (4). An annular shallow p-type region (GR1 to GR4) is provided above the buried semiconductor region (BGR1 to BGR4), and a field electrode (14) is formed immediately above the annular shallow p-type region (GR1 to GR4). The structure is described.
In this semiconductor device, there is no column region in the outer peripheral region, and instead a plurality of embedded semiconductor regions (BGR1 to BGR4) are provided at different positions in the thickness direction, so the design of the outer peripheral region is complicated. Further, since the buried semiconductor regions (BGR1 to BGR4) are formed in a process different from the column region of the element region, the number of processes is increased.
以上説明したように、本実施形態によれば、電界集中が緩和され、耐圧及び破壊耐量が向上された半導体装置1を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide the
「第1実施形態の設計変更例」
第1導電型のコラム領域205のパターンは、図2A及び図2Bに示したラインパターンに制限されず、適宜設計変更できる。
第1導電型のコラム領域205のパターンは、図4A及び図4Bに示すようなアレイパターンあるいは図4Cに示すような千鳥パターンでも構わない。
この場合も、外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303の最内端303A及びその近傍部分をアレイパターンあるいは千鳥パターンのコラム領域205上に位置させ、最外端303Bを最外周のいずれのコラム領域205よりも外側に位置させることで、第1実施形態と同様の効果が得られる。
"Design change example of the first embodiment"
The pattern of the
The pattern of the first conductivity
In this case as well, the
「第2実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第2実施形態の半導体装置の構成について説明する。図5は本実施形態の半導体装置の要部断面図である。第1実施形態と同じ構成要素については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
“Second Embodiment”
The configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態の半導体装置2の基本構成は第1実施形態と同様であり、本実施形態では外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303が間隙を空けて複数の領域に分割されている。本実施形態では第2導電型の環状拡散領域303が2つの分割領域303P1(内側)、304P2(外側)に分割されている。
The basic configuration of the
本実施形態において、第2導電型の環状拡散領域303の最内端303Aと最外端303Bの位置は第1実施形態と同様である。すなわち、第2導電型の環状拡散領域303の最内端303A(最内の分割領域303P1の内端に相当)及びその近傍部分は第2導電型のコラム領域205上に位置され、最外端303B(最外の分割領域303P2の外端に相当)は最外周の第2導電型のコラム領域205よりも外側に位置されている。
In the present embodiment, the positions of the
本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態の半導体装置2によれば、第2導電型の環状拡散領域303が複数の分割領域に303P1、303P2に分割されているので、それぞれの端面のp/n接合で横方向の電界を分担して負担することで、横方向の電界にさらに強い半導体装置2が得られる。第2導電型の環状拡散領域303の分割数や複数の分割領域の間隙は、適宜設計できる。
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
Furthermore, according to the
「第3実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第3実施形態の半導体装置の構成について説明する。図6は本実施形態の半導体装置の要部断面図である。第1実施形態と同じ構成要素については同じ参照符号を付して、説明を省略する。
“Third Embodiment”
A configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of this embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態の半導体装置3の基本構成は第1実施形態と同様であり、本実施形態では、素子形成領域200Xにおいて、断面視、第2導電型のベース領域203と第2導電型のコラム領域205とが離間している。素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203と外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303とは好ましくは同一プロセスで形成されるので、素子形成領域200Xの第2導電型のベース領域203と第2導電型のコラム領域205の関係と同様に、外周領域300Xでは断面視、第2導電型の環状拡散領域303と第2導電型のコラム領域205とが離間している。
The basic configuration of the
本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態においては、素子形成領域200Xにおいて、断面視、第2導電型のベース領域203と第2導電型のコラム領域205とが離間しているので、素子形成領域200Xにおいてトレンチゲート側面のオン電流の経路が広くなり、第1実施形態よりもオン抵抗の低減が図られる。
また、素子形成領域200Xにおいて、断面視、第2導電型のベース領域203と第2導電型のコラム領域205とが離間して独立しているので、これらの設計の最適化が容易である。同様に、外周領域300Xにおいて、断面視、第2導電型の環状拡散領域303と第2導電型のコラム領域205とが離間して独立しているので、これらの設計の最適化が容易である。
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
Further, in the present embodiment, the second conductivity
Further, in the
本実施形態においても、外周領域300Xの第2導電型の環状拡散領域303を、図5に示した半導体装置2のように、複数の分割領域に分割してもよい。
Also in the present embodiment, the
「設計変更」
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更可能である。
上記実施形態では、SJ構造を有するMOSFETを備えた半導体装置を例に説明したが、SJ構造を有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等を備えた半導体装置にも適用できる。
"Design changes"
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified within a range not departing from the gist of the present invention.
In the above embodiment, the semiconductor device including the MOSFET having the SJ structure has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a semiconductor device including an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having the SJ structure.
1〜3 半導体装置
101 第1導電型の半導体基板
200 MOSFET(トランジスタ素子)
200X 素子形成領域
201 半導体層
202 第1導電型のドリフト領域
203 第2導電型のベース領域
203B 第2導電型のベース領域の外端
204 第1導電型のソース領域
205 第2導電型のコラム領域
206 ゲート絶縁膜
207 ゲート電極
210 層間絶縁膜
211 ソース電極
212 ドレイン電極
300X 外周領域
303 第2導電型の環状拡散領域
303A 第2導電型の環状拡散領域の最内端
303B 第2導電型の環状拡散領域の最外端
303P1、303P2 第2導電型の環状拡散領域の分割領域
306 フィールド絶縁膜
307 フィールド電極
1-3
200X
Claims (5)
前記半導体層内に、第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコラム領域とが基板面方向に並列された並列構造と、当該並列構造の上方に形成された第2導電型のベース領域とを有する少なくとも1つのトランジスタ素子が形成された半導体装置であって、
前記少なくとも1つのトランジスタ素子が形成された素子形成領域より外側の外周領域には、前記半導体層内に、前記トランジスタ素子の前記並列構造と同一構造である、第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコラム領域との並列構造と、前記トランジスタ素子の前記ベース領域の側方に当該ベース領域から離間して平面視環状に形成された第2導電型の環状拡散領域とが形成されており、
前記外周領域の前記第2導電型の環状拡散領域は、最内端及びその近傍部分が前記コラム領域上に位置され、最外端が最外周の前記コラム領域よりも外側に位置されており、
前記外周領域の前記半導体層上に、前記第2導電型の環状拡散領域を覆うフィールド絶縁膜が積層された半導体装置。 On a substrate having a semiconductor layer formed on one side of the semiconductor substrate,
A parallel structure in which a first conductivity type drift region and a second conductivity type column region are arranged in parallel in the substrate surface direction in the semiconductor layer, and a second conductivity type base region formed above the parallel structure. A semiconductor device in which at least one transistor element is formed,
In the outer peripheral region outside the element formation region where the at least one transistor element is formed, a drift region of the first conductivity type and the second structure are the same as the parallel structure of the transistor elements in the semiconductor layer. A parallel structure with a conductive type column region and a second conductive type annular diffusion region formed in an annular shape in plan view and spaced apart from the base region are formed on the side of the base region of the transistor element. ,
The annular diffusion region of the second conductivity type in the outer peripheral region, the innermost end and the vicinity thereof are positioned on the column region, the outermost end is positioned outside the outermost column region,
A semiconductor device in which a field insulating film covering the annular diffusion region of the second conductivity type is stacked on the semiconductor layer in the outer peripheral region.
前記外周領域において、断面視、前記第2導電型の環状拡散領域と前記コラム領域とが離間した請求項1又は2に記載の半導体装置。 In the element formation region, a cross-sectional view, the base region and the column region are separated,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein, in the outer peripheral region, the annular diffusion region of the second conductivity type and the column region are separated from each other in a cross-sectional view.
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